基于基片集成同軸線的6～18 GHz功分器設(shè)計(jì)

倪大海，陳 坤

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

寬帶技術(shù)因?yàn)閭鬏斔俾矢?、隱蔽性高以及空間容量大等優(yōu)點(diǎn)，在無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。功分器將輸入功率按一定比例進(jìn)行分配，也可以逆向作為功率合成器，是最常用的微波無源器件之一。特別地，在相控陣?yán)走_(dá)中，在接收時(shí)，功分器將接收功率按比例合成到變頻端；發(fā)射時(shí)，功分器將發(fā)射功率按照比例分配給各天線端。隨著我國軍事技術(shù)的快速發(fā)展，對系統(tǒng)和器件的小型化、超寬帶化以及易于集成提出了更高的要求。因此，小型化、超寬帶以及易于電路集成的功分器具有很重要的研究意義。

傳統(tǒng)的微帶結(jié)構(gòu)的Wilkinson功分器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是不利于電路集成，且由于其裸露在空氣中，使其電磁兼容能力較弱。相比微帶線，基片集成同軸線結(jié)構(gòu)可傳輸TEM模的電磁波，具有較小的插損、更好的抗干擾能力以及更大的功率容量。同時(shí)，基片集成同軸線結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于多層板中，與其他微波電路以及數(shù)字邏輯電路集成，利于小型化設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)了一款基片集成同軸線功分器，僅使用了2節(jié)功分器結(jié)構(gòu)便實(shí)現(xiàn)了6～18 GHz帶寬，面積小；隔離電阻采用薄膜電阻，利于集成；端口處采用基片集成同軸線-微帶過渡結(jié)構(gòu)，便于安裝和測試；利用該二功分器設(shè)計(jì)出的一分八功分器應(yīng)用在磚塊式TR組件中，實(shí)現(xiàn)了控制板和射頻板多層設(shè)計(jì)，節(jié)省了電路空間。

1 基片集成同軸線Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)

1.1 Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)[1]

二等分Wilkinson功分器的原型是T型功分器，由于T型功分器是一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，對于任何一個(gè)三端口而言，不能同時(shí)滿足網(wǎng)絡(luò)無耗、端口互異以及各端口匹配這3個(gè)條件。Wilkinson功分器在T型功分器的輸出端引入電阻R，如圖1所示，從而使得各個(gè)端口完全匹配，且輸出端口之間具有一定的隔離。

圖1 Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)

由于該功分器結(jié)構(gòu)與工作頻段直接相關(guān)，單節(jié)的功分器工作頻帶較窄。通過多節(jié)阻抗變化級(jí)聯(lián)的形式，各節(jié)傳輸線的長度仍為λ/4，各節(jié)阻抗變換產(chǎn)生的反射信號(hào)在各節(jié)之間相互抵消，從而展寬工作帶寬，達(dá)到寬帶匹配的目的。理論分析可知隨著節(jié)數(shù)增多，工作帶寬越寬，引入的帶內(nèi)損耗也會(huì)越大，所以應(yīng)根據(jù)工作帶寬，合理選擇功分器節(jié)數(shù)。本文研究的工作帶寬為6～18 GHz，選擇節(jié)數(shù)為2節(jié)。

1.2 基片集成同軸線結(jié)構(gòu)[2-3]

基片集成同軸線(SICL)是一種平面的同軸線結(jié)構(gòu)，在帶狀線兩側(cè)各自引入一列金屬化通孔即可形成SICL結(jié)構(gòu)，引入的金屬化通孔類似封閉的結(jié)構(gòu)，可以防止信號(hào)泄露以及與其他電路之間的串?dāng)_。圖2為利用多層PCB工藝實(shí)現(xiàn)的SICL示意圖：它由3層金屬、2層介質(zhì)以及兩側(cè)的金屬化通孔組成，中間的金屬作為內(nèi)導(dǎo)體，外導(dǎo)體由上下2層金屬以及兩側(cè)的金屬通孔組成。本文中，上下2層介質(zhì)為0.254 mm厚的CLTE-XT板(ε=2.94，tanδ=0.001 2@10 GHz)，半固化板采用0.05 mm的Taconic RF-30(ε=3，tanδ=0.003 8@10 GHz)，金屬化通孔之間的間距為2 mm，金屬化通孔的直徑為0.4 mm。

圖2 SICL示意圖

由于SICL的介質(zhì)材料和高度h已經(jīng)確定，SICL的特征阻抗僅能由內(nèi)導(dǎo)體wm和外導(dǎo)體的寬度wc決定。圖3展示了不同的內(nèi)外導(dǎo)體寬度下，SICL特征阻抗的變化，SICL的特征阻抗主要由內(nèi)導(dǎo)體寬度wm決定，與外導(dǎo)體寬度wc無關(guān)。因此，在條件允許的情況，盡量選擇較小的外導(dǎo)體寬度，這樣既可以減小SICL面積，又可以提高由上下層金屬和兩側(cè)金屬化通孔所構(gòu)成的介質(zhì)集成波導(dǎo)(SIW)的截止頻率。

1.3 SICL小型化超寬帶功分器

根據(jù)上面的分析，SICL小型化功分器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，為了實(shí)現(xiàn)6～18 GHz工作帶寬以及小型化的要求，選用功分器節(jié)數(shù)為2節(jié)，相比傳統(tǒng)微帶結(jié)構(gòu)的3節(jié)要少一節(jié)，這得益于SICL結(jié)構(gòu)相比微帶結(jié)構(gòu)信號(hào)泄露得更少，品質(zhì)因數(shù)Q更高。

圖4 SICL型功分器

2 6～18 GHz基片集成同軸線功分器設(shè)計(jì)

2.1 兩節(jié)功分器的參數(shù)設(shè)計(jì)[4]

由上面1.1的分析，圖4的等效電路如圖5所示，為對稱結(jié)構(gòu)，因此可以利用基偶模激勵(lì)分析方法進(jìn)行理論分析，如圖6所示。

圖5 SICL功分器等效電路

圖6 SICL功分器等效電路奇偶模等效電路

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2 仿真優(yōu)化

2.2.1 SICL小型化功分器的仿真

為了驗(yàn)證上面的理論設(shè)計(jì)結(jié)果，利用HFSS軟件對建立理想狀態(tài)下功分器模型進(jìn)行仿真，通過對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到符合指標(biāo)要求的電路參數(shù)。最終仿真結(jié)果如圖7所示，3個(gè)端口的駐波均<-16 dB，帶內(nèi)插損<0.3 dB。

圖7 功分器的優(yōu)化仿真結(jié)果

其中，隔離度會(huì)隨著隔離電阻阻值的升高而增加，但是對應(yīng)的帶寬會(huì)收窄，如圖8所示，選擇合適的隔離阻值，可以在獲得較好隔離度的同時(shí)，有著不錯(cuò)的插損。最終選擇R1=90 Ω，R2=195 Ω，全頻段隔離>16 dB，7～18 GHz頻段隔離>20 dB。

圖8 隔離電阻阻值對隔離度的影響

2.2.2 SICL-微帶過渡[5]

為了方便SICL小型化功分器進(jìn)行平面電路連接，比如與單片微波集成電路(MMIC)芯片鍵合，使得該功分器具有更好的應(yīng)用場景，需要將3個(gè)端口過渡到微帶。過渡部分會(huì)引起電場突變，從而影響過渡結(jié)構(gòu)的傳輸特性，為了將此不連續(xù)型盡量減小，設(shè)計(jì)了過渡枝節(jié)，如圖9所示。

圖9 SICL-MLIN過渡結(jié)構(gòu)

w0設(shè)計(jì)得要比w2要小，這樣可以有效地減小電場向兩側(cè)泄露，實(shí)現(xiàn)電場的連續(xù)性，進(jìn)而達(dá)到匹配的目的。進(jìn)過HFSS仿真優(yōu)化后，w0=0.32 mm，l0=0.88 mm。

將最終優(yōu)化仿真結(jié)果對應(yīng)到圖5中的SICL等效電路中參數(shù)，形成表1。相比傳統(tǒng)的6～18 GHz微帶功分器，SICL功分器的面積要小50%以上。

表1 SICL功分器參數(shù)表

2.3 一分八功分器

為了滿足6～18 GHz TR組件中八通道的使用需求，進(jìn)一步將該小型化功分器進(jìn)行組合成一分八功分器，如圖8所示。全頻段駐波<-13 dB，插損<1.2 dB。

圖10 一分八SICL小型化功分器

2.4 加工及測試

由于采用了SICL結(jié)構(gòu)，加工同普通的微帶功分器有所區(qū)別，即隔離電阻需要進(jìn)行埋置，此處采用薄膜電阻，在印制板加工時(shí)進(jìn)行埋置。如圖11所示，最終的電路采用了CLTE-XT和FR4混壓的方式，F(xiàn)R4在上層，實(shí)現(xiàn)組件的邏輯控制及電源管理；CLTE-XT在底層，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的傳輸，大大減少了整個(gè)電路的布線空間。

圖11 印制板實(shí)物圖

最終的測試結(jié)果如圖12所示，由于電路具有完美的對稱性，這里只給出端口1和2的測試情況，輸入駐波<-11 dB，插損<2.4 dB，與仿真結(jié)果較為接近。

圖12 測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于SICL結(jié)構(gòu)的Wilkinson小型化超寬帶功分器，采用奇偶模分析方法進(jìn)行理論研究和計(jì)算，確定初值后再利用HFSS仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到了小型化的一分二功分器。為了方便該功分器與平面電路的連接，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種SICL-微帶的過渡結(jié)構(gòu)。最后利用該功分器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)出了一分八功分器，并與邏輯控制和電源管理印制板混壓，達(dá)到減少電路布線空間的目的。通過將SICL結(jié)構(gòu)應(yīng)用于射頻、邏輯控制以及電源管理電路混合設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了其可實(shí)現(xiàn)性和有效性，該設(shè)計(jì)思路還可推廣到其它應(yīng)用場景，有利于提高微波毫米波系統(tǒng)的小型化以及集成化。